ES2667562A1 - MINI-TURBINE (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
131 Álabes 131 Blades
132 Cubo 132 Cube
133 Anillo de cierre 133 Seal Ring
140 Anillo portaimanes 140 Ring holder
Di Diámetro interior del anillo portaimanes Dia Inside diameter of the ring holder
De diámetro exterior del anillo portaimanes Outside diameter of the ring holder
e Espesor del anillo portaimanes e Thickness of the ring holder
Da diámetro de alojamiento Gives housing diameter
Dm Diámetro magnético o diámetro de los imanes Dm Magnetic diameter or diameter of magnets
L Longitud de los imanes L Length of magnets
La figura 1 muestra una sección axial de la mini-turbina 100 de la invención. Las figuras 5A y 5B ilustran una perspectiva trasera y frontal, respectivamente, de la mini-turbina 100 de la invención. La mini-turbina 100 está formada por un cuerpo de mini-turbina y un generador electro-magnético de la mini-turbina. Figure 1 shows an axial section of the mini-turbine 100 of the invention. Figures 5A and 5B illustrate a rear and front perspective, respectively, of the mini-turbine 100 of the invention. The mini-turbine 100 is formed by a mini-turbine body and an electro-magnetic generator of the mini-turbine.
La mini-turbina 100 comprende varios elementos, que se ilustran en las figuras 1 y 2. Una primera pieza 110 aerodinámica, comprende dos cuerpos 12, 14 y está dispuesta a lo largo de un eje de giro 1. El cuerpo de entrada 12 se dispone en la parte delantera del eje de giro 1, mientras que el cuerpo de salida 14 se dispone en la parte trasera del eje de giro 1. El cuerpo de salida 14 reduce su sección a medida que se aleja del eje de giro 1, hasta terminar prácticamente en una punta. De ahí la definición de la primera pieza 110 formada por los cuerpos 12, 14 como “aerodinámica”. La forma exterior redondeada del cuerpo de entrada 12 también dota a la primera pieza 110 de carácter aerodinámico. El eje de giro 1 está montado en dos rodamientos 2 (un rodamiento 2 está en un extremo del eje de giro 1 en el que se encuentra el cuerpo de entrada 12, y otro rodamiento 2 está en el extremo opuesto del eje de giro 1, en el que se encuentra el cuerpo de salida 14). Conectado a cada rodamiento 2 se encuentra una pieza 4 de empuje y alineamiento; la pieza 4 de empuje y alineamiento es ajustada mediante la rosca de empuje 3; la rosca de empuje 3 es colocada posteriormente a las piezas 4 de empuje y alineamiento a ambos lados del eje de giro 1 y es accesible al desmontar el cuerpo de entrada 12 y el cuerpo de salida 14. Los rodamientos 2 permiten un giro del rotor 130, es decir, del eje de giro 1 respecto de sus puntos de apoyo, al ser arrastrado el rotor 130 por el flujo de fluido que atraviesa la mini-turbina 100. Las roscas de empuje 3 y las piezas de empuje y alineamiento 4 permiten que los puntos de apoyo del eje de giro soporten un empuje axial ejercido sobre ellos por el flujo incidente sobre el rotor 130. Las piezas de empuje y alineamiento 4 también permiten un alineamiento del rotor 130, a través del eje de giro 1, con la góndola, o segunda pieza aerodinámica 120. The mini-turbine 100 comprises several elements, which are illustrated in Figures 1 and 2. A first aerodynamic part 110 comprises two bodies 12, 14 and is arranged along a rotation axis 1. The input body 12 is disposed at the front of the rotation axis 1, while the output body 14 is arranged at the rear of the rotation axis 1. The output body 14 reduces its section as it moves away from the rotation axis 1, until finish practically on one end. Hence the definition of the first piece 110 formed by bodies 12, 14 as "aerodynamics." The rounded outer shape of the input body 12 also provides the first aerodynamic part 110. The rotation shaft 1 is mounted on two bearings 2 (one bearing 2 is at one end of the rotation axis 1 in which the inlet body 12 is located, and another bearing 2 is at the opposite end of the rotation axis 1, in which the outlet body 14) is located. Connected to each bearing 2 is a thrust and alignment piece 4; the thrust and alignment piece 4 is adjusted by the thrust thread 3; the thrust thread 3 is subsequently placed to the thrust and alignment parts 4 on both sides of the axis of rotation 1 and is accessible by dismantling the inlet body 12 and the outlet body 14. The bearings 2 allow a rotation of the rotor 130 , that is to say, of the axis of rotation 1 with respect to its support points, when the rotor 130 is driven by the flow of fluid that passes through the mini-turbine 100. The thrust threads 3 and the thrust and alignment parts 4 allow the pivot axis bearing points withstand an axial thrust exerted on them by the incident flow on the rotor 130. The thrust and alignment parts 4 also allow an alignment of the rotor 130, through the axis of rotation 1, with the gondola , or second aerodynamic part 120.
La segunda pieza 120 aerodinámica (góndola o carenado) de la mini-turbina 100 comprende un primer cuerpo 11 delantero y un segundo cuerpo 13 trasero. La segunda pieza 120 tiene forma sustancialmente cilíndrica, abierta en sus extremos para permitir una entrada y salida de fluido que atraviesa la mini-turbina 100. El eje longitudinal de la segunda pieza 120 coincide con el eje de giro 1. El segundo cuerpo 13 trasero tiene un espesor que va disminuyendo a medida que se aleja del primer cuerpo 11 delantero, de forma que el extremo trasero del segundo cuerpo 13 trasero (el extremo más alejado del primer cuerpo 11 delantero) es muy afilado. Es decir, en su extremo posterior, el segundo cuerpo 13 trasero reduce su espesor de forma que el extremo de la superficie interna se une al extremo de la superficie externa, conformando por tanto un conducto que aumenta de sección transversal en el sentido del flujo, es decir, que conforma un conducto divergente. De ahí la definición de la pieza 120 formada por los cuerpos 11, 13 como “aerodinámica”. La forma exterior redondeada del primer cuerpo 11 delantero también dota a la pieza 120 de carácter aerodinámico. The second aerodynamic part 120 (gondola or fairing) of the mini-turbine 100 comprises a first front body 11 and a second rear body 13. The second part 120 has a substantially cylindrical shape, open at its ends to allow an entry and exit of fluid through the mini-turbine 100. The longitudinal axis of the second part 120 coincides with the axis of rotation 1. The second rear body 13 It has a thickness that decreases as it moves away from the first front body 11, so that the rear end of the second rear body 13 (the furthest end of the first front body 11) is very sharp. That is, at its rear end, the second rear body 13 reduces its thickness so that the end of the inner surface joins the end of the outer surface, thereby forming a conduit that increases in cross-section in the direction of flow, that is, it forms a divergent conduit. Hence the definition of piece 120 formed by bodies 11, 13 as "aerodynamics." The rounded outer shape of the first front body 11 also gives the piece 120 aerodynamic character.
La mini-turbina 100 comprende una serie de elementos portantes que constituyen, junto con el eje de giro 1, los componentes resistentes de la mini-turbina 100. Estos elementos portantes conforman un bloque que sirve para conectar otros componentes de la mini-turbina 100. Los elementos que conforman el bloque son los siguientes: unos elementos de conexión 10, en forma de disco, montados sobre unas carcasas 9, de forma sustancialmente cilíndrica. Las carcasas 9, dispuestas una a continuación de la otra en dirección axial, alojan entre ellas el circuito impreso PCB 15. Unos elementos auxiliares colaboran con los elementos de conexión 10 y las carcasas 9 para mantener la cohesión del paquete. Estos elementos auxiliares son unas abrazaderas 16 que ejercen una compresión axial entre los elementos de conexión 10 para asegurar la compacidad del paquete en el que las carcasas 9 están comprimidas por los elementos de conexión 10 gracias a la acción de las abrazaderas 16. Otros elementos auxiliares, los pasadores de alineamiento 8, ayudan en la correcta colocación de los elementos para el posterior aseguramiento de unos con otros gracias a las abrazaderas 16. Es decir, que las abrazaderas 16 dotan al bastidor de rigidez axial y los pasadores de alineamiento 8 permiten un montaje con alineamiento axial de diferentes componentes del bastidor. The mini-turbine 100 comprises a series of bearing elements that constitute, together with the axis of rotation 1, the resistant components of the mini-turbine 100. These bearing elements form a block that serves to connect other components of the mini-turbine 100 The elements that make up the block are the following: connection elements 10, disk-shaped, mounted on housings 9, substantially cylindrical. The housings 9, arranged one after the other in the axial direction, house between them the PCB printed circuit 15. Auxiliary elements collaborate with the connecting elements 10 and the housings 9 to maintain the cohesion of the package. These auxiliary elements are clamps 16 that exert an axial compression between the connection elements 10 to ensure the compactness of the package in which the housings 9 are compressed by the connection elements 10 thanks to the action of the clamps 16. Other auxiliary elements , the alignment pins 8, help in the correct positioning of the elements for the subsequent securing of each other thanks to the clamps 16. That is, the clamps 16 provide the axial stiffness frame and the alignment pins 8 allow a assembly with axial alignment of different frame components.
Puede decirse que estos elementos portantes que comprenden los elementos de conexión 10, las carcasas 9, las abrazaderas 16 y los pasadores de alineamiento 8 constituyen el núcleo central de la segunda pieza aerodinámica 120, puesto que están ubicados en la parte de la mini-turbina 100 que rodea al rotor 130. De hecho, como puede verse en las figuras 1, 5A, 5B y 31A, el contorno de los elementos de conexión 10, las carcasas 9, las abrazaderas 16 y los pasadores de alineamiento 8 está expuesto a la corriente de fluido donde está instalada la mini-turbina 100 (las abrazaderas 16 y los pasadores de alineamiento 8 en la superficie exterior de la segunda pieza aerodinámica 120). It can be said that these bearing elements comprising the connecting elements 10, the housings 9, the clamps 16 and the alignment pins 8 constitute the central core of the second aerodynamic part 120, since they are located in the part of the mini-turbine 100 surrounding the rotor 130. In fact, as can be seen in Figures 1, 5A, 5B and 31A, the contour of the connecting elements 10, the housings 9, the clamps 16 and the alignment pins 8 is exposed to the fluid flow where the mini-turbine 100 is installed (the clamps 16 and the alignment pins 8 on the outer surface of the second aerodynamic part 120).
Dentro del bloque portante, las carcasas 9 unen o ensamblan la primera pieza aerodinámica 110 con la segunda pieza aerodinámica 120. Las carcasas 9 establecen, de esta manera, la relación entre la primera pieza 110 y la segunda pieza 120, que se mantienen fijas entre sí mediante los elementos de conexión 10. Within the bearing block, the housings 9 join or assemble the first aerodynamic part 110 with the second aerodynamic part 120. The housings 9 thus establish the relationship between the first part 110 and the second part 120, which remain fixed between yes using the connection elements 10.
Por otro lado, los elementos de conexión 10, por una cara enfrentada a las carcasas 9 están fijados a las carcasas 9. Por la cara opuesta, el elemento de conexión 10 colocado hacia la entrada de la mini-turbina 100 comprende medios de fijación para soportar el primer cuerpo 110 mientras que el elemento de conexión 10 colocado hacia la salida de la mini-turbina 100 comprende medios de fijación para soportar el segundo cuerpo On the other hand, the connecting elements 10, on one side facing the housings 9 are fixed to the housings 9. On the opposite side, the connecting element 10 placed towards the entrance of the mini-turbine 100 comprises fixing means for supporting the first body 110 while the connecting element 10 placed towards the outlet of the mini-turbine 100 comprises fixing means to support the second body
13. 13.
Asimismo, la carcasa 9 colocada hacia la entrada de la mini-turbina 100 comprende, en la zona central correspondiente al eje de giro 1, medios de fijación para soportar el cuerpo de entrada 10 mientras que la carcasa 9 colocada hacia la salida de la mini-turbina 100 comprende, en la zona central correspondiente al eje de giro 1, medios de fijación para soportar el cuerpo de salida 12. Likewise, the housing 9 placed towards the entrance of the mini-turbine 100 comprises, in the central area corresponding to the axis of rotation 1, fixing means for supporting the input body 10 while the housing 9 placed towards the exit of the mini - Turbine 100 comprises, in the central area corresponding to the axis of rotation 1, fixing means for supporting the outlet body 12.
Los elementos anteriores forman el cuerpo de la mini-turbina 100. La mini-turbina 100 comprende también un generador. El generador comprende una pluralidad de imanes 6 y un circuito impreso o PCB 15, ilustrados en las figuras 1, 6A y 6B. En una posible realización, no limitativa, el generador comprende 64 imanes 6. Sobre el circuito impreso o PCB 15 se integran o implementan unas bobinas 15’ configuradas para conducir electricidad. Las bobinas 15’ son preferentemente de cobre. El cobre es el mejor material a utilizar, por sus buenas características para recolectar campo magnético y su uso habitual en la fabricación. No obstante, también se podría usar otro material como la plata, que es mejor conductor eléctrico, pero más difícil de fabricar. Siguiendo con la explicación del generador, los elementos que intervienen en la generación de una intensidad de corriente The above elements form the body of the mini-turbine 100. The mini-turbine 100 also comprises a generator. The generator comprises a plurality of magnets 6 and a printed circuit or PCB 15, illustrated in Figures 1, 6A and 6B. In a possible, non-limiting embodiment, the generator comprises 64 magnets 6. On the printed circuit or PCB 15, coils 15 'configured to conduct electricity are integrated or implemented. The 15 'coils are preferably copper. Copper is the best material to use, due to its good characteristics to collect magnetic field and its usual use in manufacturing. However, another material such as silver could also be used, which is a better electrical conductor, but more difficult to manufacture. Following the generator's explanation, the elements involved in the generation of a current intensity
con origen en el giro del rotor 130 son los imanes 6, que giran al girar el rotor 130, y las bobinas 15’, estáticas en originating in the rotation of the rotor 130 are the magnets 6, which rotate when the rotor 130 rotates, and the coils 15 ’, static in
el circuito impreso o PCB 15 y el aro 7 que está unido a los imanes 6. the printed circuit or PCB 15 and the ring 7 that is attached to the magnets 6.
Preferentemente, el circuito impreso o PCB 15 está posicionado equidistante entre las dos jaulas 5 (donde están albergados los imanes 6) en las inmediaciones del campo magnético. La corriente eléctrica inducida en el PCB Preferably, the printed circuit or PCB 15 is positioned equidistant between the two cages 5 (where the magnets 6 are housed) in the vicinity of the magnetic field. The electrical current induced on the PCB
15, en concreto en las bobinas 15’, generada por el movimiento del rotor 130, puede aprovecharse para diversos 15, specifically in the coils 15 ’, generated by the movement of the rotor 130, can be used for various
usos, como la alimentación de dispositivos de comunicación inalámbrica, sensores de temperatura etc. uses, such as the power of wireless communication devices, temperature sensors etc.
Una vez vista la configuración básica del generador, se procede a continuación a detallar la configuración básica de la mini-turbina 100. El funcionamiento de la mini-turbina 100 se basa en aprovechar el movimiento rotatorio del rotor 130 para provocar un campo magnético variable. En concreto, en el funcionamiento de la mini-turbina 100, cuando el rotor 130 está girando, se produce el movimiento rotatorio de los anillos portaimanes 140 puesto que los anillos portaimanes 140 están dispuestos en la periferia del rotor 130 como puede verse en la figura 1. Al rotar los anillos portaimanes 140 se provoca un campo magnético variable. El campo magnético generado es variable porque los anillos portaimanes 140 llevan dispuestos, en su parte más periférica, es decir, en su parte más alejada del eje 1, los imanes 6 del generador. Estos imanes 6 describen un movimiento circular al formar parte del rotor 130 que es girado por el flujo de un fluido que atraviesa la mini-turbina 100 (el fluido puede ser un gas, que puede ser el de suministro de una vivienda o el aire de un conducto de aire acondicionado). La existencia de un campo electromagnético variable induce una corriente eléctrica en las bobinas 15’ dispuestas en el circuito impreso PCB 15 del estator. Como se ha indicado anteriormente, el circuito impreso PCB 15 está posicionado equidistante entre los anillos portaimanes 140 en las inmediaciones del campo magnético. Once the basic configuration of the generator is seen, the basic configuration of the mini-turbine 100 is then detailed. The operation of the mini-turbine 100 is based on taking advantage of the rotary movement of the rotor 130 to cause a variable magnetic field. In particular, in the operation of the mini-turbine 100, when the rotor 130 is rotating, the rotary movement of the magnet holder rings 140 occurs since the magnet holder rings 140 are arranged on the periphery of the rotor 130 as can be seen in the figure 1. Rotating the magnet holder rings 140 causes a variable magnetic field. The generated magnetic field is variable because the magnet holder rings 140 have, in their most peripheral part, that is, in their part furthest from the axis 1, the magnets 6 of the generator. These magnets 6 describe a circular movement as part of the rotor 130 which is rotated by the flow of a fluid that passes through the mini-turbine 100 (the fluid can be a gas, which can be the supply of a house or the air of an air conditioning duct). The existence of a variable electromagnetic field induces an electric current in the coils 15 ′ arranged in the PCB printed circuit 15 of the stator. As indicated above, PCB printed circuit 15 is positioned equidistant between the magnet carrier rings 140 in the immediate vicinity of the magnetic field.
Para conseguir maximizar la energía generada es necesario minimizar las pérdidas que pueden ser producidas por varias vías: (i) rozamiento provocado por movimiento relativo entre elementos, (ii) reluctancia en el circuito magnético provocada por la masa de aire entre los imanes 6 y las bobinas 15’ y (iii) corrientes de Foucault (o parásitas) que pueden afectar negativamente a la intensidad eléctrica generada en las bobinas 15’. La estructura In order to maximize the energy generated, it is necessary to minimize the losses that can be produced by several routes: (i) friction caused by relative movement between elements, (ii) reluctance in the magnetic circuit caused by the mass of air between the magnets 6 and the 15 'coils and (iii) eddy currents (or parasites) that can adversely affect the electrical intensity generated in the 15' coils. The structure
de la mini-turbina 100 busca el mejor equilibrio entre la maximización de la energía generada y la viabilidad en términos de fabricación, montaje e instalación de la mini-turbina 100. of the mini-turbine 100 seeks the best balance between the maximization of the energy generated and the viability in terms of manufacturing, assembly and installation of the mini-turbine 100.
A continuación, se describe en detalle el generador electro-magnético de la mini-turbina 100, de acuerdo con una posible implementación de la invención. El generador electro-magnético comprende los siguientes elementos principales: dos anillos portaimanes 140 respectivamente, configurados para generar un flujo/campo magnético Next, the electro-magnetic generator of the mini-turbine 100 is described in detail, in accordance with a possible implementation of the invention. The electro-magnetic generator comprises the following main elements: two magnet holder rings 140 respectively, configured to generate a magnetic flux / field
variable y un circuito impreso (PCB) 15 que tiene una pluralidad de bobinas 15’, preferentemente de cobre, variable and a printed circuit (PCB) 15 having a plurality of coils 15 ’, preferably copper,
configuradas para generar una corriente eléctrica inducida por el campo magnético variable. Las figuras 6A y 6B muestran varios de estos componentes. configured to generate an electric current induced by the variable magnetic field. Figures 6A and 6B show several of these components.
Como se ha indicado, los anillos portaimanes 140, son solidarios al rotor 130, conforman una corona circular en la periferia del rotor 130, y albergan una pluralidad de imanes 6 que, al girar, generan un flujo magnético variable sobre el estator donde está colocado el circuito impreso PCB 15. La disposición de los imanes 6 se expone a continuación y también se muestra en las figuras 7A y 7B: As indicated, the magnet holder rings 140, are integral to the rotor 130, form a circular crown on the periphery of the rotor 130, and house a plurality of magnets 6 which, when rotated, generate a variable magnetic flux on the stator where it is placed PCB printed circuit 15. The arrangement of magnets 6 is set forth below and is also shown in Figures 7A and 7B:
- - -
- Los imanes 6 en gris claro y gris oscuro tienen polaridad opuesta para generar un flujo magnético alterno al girar. The magnets 6 in light gray and dark gray have opposite polarity to generate an alternating magnetic flux when turning.
- - -
- Los imanes 6 enfrentados en los dos anillos portaimanes 140, tienen la misma polaridad para no anular el campo magnético en el centro. The magnets 6 facing the two magnet holder rings 140 have the same polarity so as not to cancel the magnetic field in the center.
Los anillos portaimanes 140 comprenden tres elementos: imanes 6, jaulas 5 y aros 7. En las figuras 7A y 7B se muestra parte de la estructura de los anillos portaimanes 140 respectivamente: en gris claro y gris oscuro se representan los imanes 6, las jaulas 5, y los aros 7. The magnet holder rings 140 comprise three elements: magnets 6, cages 5 and rings 7. Figures 7A and 7B show part of the structure of the magnet holder rings 140 respectively: in light gray and dark gray the magnets 6 are represented, the cages 5, and the rings 7.
El aro 7 está configurado para asegurar la permanencia de los imanes 6 en sus cavidades de las jaulas 5, lo que resulta muy importante a velocidades de rotación elevadas, del orden de 10.000rpm, manteniendo por otro lado un fácil desmontaje/montaje en caso de requerir el cambio de imanes 6. The ring 7 is configured to ensure the permanence of the magnets 6 in their cavities of the cages 5, which is very important at high rotation speeds, of the order of 10,000rpm, while maintaining easy disassembly / assembly in case of require changing magnets 6.
Se ha diseñado un prototipo de la mini-turbina 100 con las siguientes características: A prototype of the mini-turbine 100 has been designed with the following characteristics:
Las jaulas 5 tienen un diámetro exterior De 27.7mm, un diámetro interior Di 22.7mm, un espesor e 1mm y tienen 32 alojamientos de 2mm de diámetro de alojamiento Da. La mini-turbina 100 tiene un diámetro máximo exterior D de 32mm. Los alojamientos están distribuidos de manera equidistante, y situados en el diámetro medio de los anillos portaimanes 140. The cages 5 have an outside diameter of 27.7mm, an inside diameter Di 22.7mm, a thickness of 1mm and have 32 housings of 2mm in diameter Da housing. The mini-turbine 100 has a maximum outside diameter D of 32mm. The housings are distributed in an equidistant manner, and located in the average diameter of the holder rings 140.
La mini-turbina 100 comprende un total de 32 imanes 6 (por tanto 16 polos) que pueden ser de NdFeB (grado 50H) por cada jaula 5. Los imanes 6 tienen forma cilíndrica o de disco. Los imanes 6 tienen un diámetro magnético Dm inferior a 8mm, preferentemente inferior a 6mm, más preferentemente inferior a 4mm. En el prototipo de la invención, su diámetro es de 2mm. En cuanto a la longitud, los imanes tienen una longitud menor de 4mm, preferentemente menor de 3mm, más preferentemente menor de 2mm y todavía más preferentemente menor de 1,4mm. Según una posible realización, la longitud de los imanes es de 1mm. The mini-turbine 100 comprises a total of 32 magnets 6 (therefore 16 poles) that can be NdFeB (grade 50H) for each cage 5. The magnets 6 have a cylindrical or disk shape. The magnets 6 have a magnetic diameter Dm of less than 8mm, preferably less than 6mm, more preferably less than 4mm. In the prototype of the invention, its diameter is 2mm. As for the length, the magnets have a length less than 4mm, preferably less than 3mm, more preferably less than 2mm and still more preferably less than 1.4mm. According to a possible embodiment, the length of the magnets is 1mm.
Aunque con imanes de mayor longitud (2mm) se genera un campo magnético mayor y, por tanto, un flujo eléctrico mayor también en las bobinas 15’, aumentar la longitud total de la mini-turbina 100 puede provocar problemas en la rigidez de la misma. La realización descrita busca el equilibrio entre el tamaño de los imanes 6 y la generación de campo magnético. Although with larger magnets (2mm) a larger magnetic field is generated and, therefore, a greater electric flow also in the coils 15 ', increasing the total length of the mini-turbine 100 can cause problems in the rigidity of the same . The described embodiment seeks the balance between the size of the magnets 6 and the magnetic field generation.
Las jaulas 5, son el elemento mecánico de los anillos portaimanes 140 que comprende un disco con orificios para albergar los imanes 6. Las jaulas 5 respectivamente, deben ser de material no magnético para que no haya pérdidas magnéticas por histéresis y corrientes inducidas, es decir, por corrientes de Foucault. Aunque un material magnético puede aportar valor cuando se quiere direccionar el campo de una manera específica, en el caso de la invención, son los imanes 6 junto con el aro 7 los encargados de encauzar dicho flujo magnético en la dirección axial de la mini-turbina 100. La figura 8A muestra el efecto del aro 7 sobre el campo magnético frente a una realización sin aro ilustrada en la figura 8B. The cages 5 are the mechanical element of the magnet holder rings 140 comprising a disc with holes to house the magnets 6. The cages 5 respectively, must be of non-magnetic material so that there are no magnetic losses due to hysteresis and induced currents, that is , by Foucault currents. Although a magnetic material can provide value when the field is to be directed in a specific way, in the case of the invention, it is the magnets 6 together with the ring 7 that are responsible for channeling said magnetic flux in the axial direction of the mini-turbine 100. Figure 8A shows the effect of the ring 7 on the magnetic field versus an embodiment without a ring illustrated in Figure 8B.
En el circuito impreso PCB 15: On PCB 15 printed circuit:
- La geometría global del circuito impreso PCB 15 está condicionada por el diseño global de la mini-turbina - The overall geometry of the PCB 15 printed circuit is conditioned by the overall design of the mini-turbine
100. 100
- El circuito impreso PCB 15 puede comprender dos materiales: un aislante (FR4) y un conductor (Cu). - The PCB 15 printed circuit may comprise two materials: an insulator (FR4) and a conductor (Cu).
- La generación de energía eléctrica depende del diseño del circuito impreso PCB 15: espesor de los materiales, tanto del material aislante como del material conductor, espaciado entre bobinas 15’, estructura/disposición/forma de las bobinas 15’, tipo de conexión entre las bobinas 15’ para conformar un - The generation of electrical energy depends on the design of the PCB 15 printed circuit: thickness of the materials, both of the insulating material and the conductive material, spacing between coils 15 ', structure / arrangement / shape of coils 15', type of connection between the 15 'coils to form a
circuito monofásico o un circuito trifásico. single phase circuit or three phase circuit.
- Las dimensiones del circuito impreso PCB 15 se definen con el objetivo de lograr la integración de la parte mecánica con el circuito impreso PCB 15, además de obtener la máxima energía posible del campo electromagnético generado por los anillos portaimanes 140. - The dimensions of the PCB 15 printed circuit are defined in order to achieve the integration of the mechanical part with the PCB 15 printed circuit, in addition to obtaining the maximum possible energy from the electromagnetic field generated by the magnet holder rings 140.
El número de bobinas 15’ en cada una de las caras del circuito impreso PCB 15 queda definido por el número de imanes 6 según la relación 3 a 2 (3 fases, 2 polos magnéticos), por lo que el número total de bobinas en cada una de las caras en una realización de la invención será 48. Las figuras 9A y 9B representan las fases con círculos vacíos y los polos magnéticos con círculos sólidos. La figura 9A muestra la relación 3 a 2 (3 fases, 2 polos magnéticos). La figura 9B muestra un sector de la mini-turbina 100 que ilustra una pluralidad de fases y de polos magnéticos. La figura 9C muestra las tres fases generadas. The number of coils 15 'on each of the faces of the PCB 15 printed circuit is defined by the number of magnets 6 according to the 3 to 2 ratio (3 phases, 2 magnetic poles), so the total number of coils in each one of the faces in an embodiment of the invention will be 48. Figures 9A and 9B represent the phases with empty circles and the magnetic poles with solid circles. Figure 9A shows the 3 to 2 ratio (3 phases, 2 magnetic poles). Figure 9B shows a section of the mini-turbine 100 illustrating a plurality of phases and magnetic poles. Figure 9C shows the three phases generated.
Conforme a una realización de la invención, el generador es monofásico. El generador monofásico comprende bobinas 15’ serpenteantes como las ilustradas en la figura 10B. Las bobinas 15’ están conectadas en serie entre sí y los dos lados del generador se conectan en el exterior, que hacen de este diseño más fácil y barato de fabricar. Las figuras 10A y 10B muestran, respectivamente, un generador monofásico y un detalle de la representación de la bobina 15’ serpenteante. According to an embodiment of the invention, the generator is single phase. The single phase generator comprises winding coils 15 ’as illustrated in Figure 10B. The 15 ’coils are connected in series with each other and the two sides of the generator are connected outside, which make this design easier and cheaper to manufacture. Figures 10A and 10B show, respectively, a single-phase generator and a detail of the representation of the winding coil 15 ’.
Conforme a otra realización de la invención, el generador es trifásico. El generador trifásico contiene bobinas 15’ cuadradas espirales que hacen esta configuración más compleja pero mucho más eficiente. Las bobinas 15’ According to another embodiment of the invention, the generator is three phase. The three-phase generator contains 15 ’square spiral coils that make this configuration more complex but much more efficient. The 15 ’coils
están conectadas en serie en la misma cara y en paralelo con las de la otra cara del generador. Además, las bobinas 15’ se conectan de tres en tres para obtener las tres fases de la señal. Las figuras 11A y 11B muestran, respectivamente, un generador trifásico y un detalle de la conexión de las bobinas en espiral rectangular. They are connected in series on the same side and in parallel with those on the other side of the generator. In addition, the 15 'coils are connected three by three to obtain the three phases of the signal. Figures 11A and 11B show, respectively, a three-phase generator and a detail of the connection of the rectangular spiral coils.
Respecto a la aplicabilidad del sistema, con el generador monofásico se dispone de una mini-turbina 100 más económica, aunque menos eficiente, mientras que con el generador trifásico se obtiene una mini-turbina 100 más costosa pero más eficiente. Por lo tanto, dependiendo de la aplicación será preferible usar uno u otro (la miniturbina de generador monofásico o la turbina de generador trifásico). Regarding the applicability of the system, with the single-phase generator a more economical, although less efficient, 100 mini-turbine is available, while with the three-phase generator a more expensive but more efficient mini-turbine 100 is obtained. Therefore, depending on the application it will be preferable to use one or the other (the single-phase generator turbine or the three-phase generator turbine).
La invención también se refiere a un modelado matemático y electrónico. La modelización matemática del circuito impreso PCB 15 sirve para simular los resultados de la energía que puede generarse a través del 5 generador de la invención. El modelado comprende: The invention also relates to mathematical and electronic modeling. The mathematical modeling of the PCB 15 printed circuit serves to simulate the results of the energy that can be generated through the generator of the invention. The modeling includes:
- Un modelado matemático, que comprende a su vez un modelado del generador monofásico y un modelado del generador trifásico; - A mathematical modeling, which in turn includes a modeling of the single-phase generator and a modeling of the three-phase generator;
- Una simulación de la generación de energía a través del generador monofásico y una simulación de la generación de energía a través del generador trifásico. - A simulation of power generation through the single-phase generator and a simulation of power generation through the three-phase generator.
10 Los dos modelados comprenden un generador (caso monofásico) y tres generadores (caso trifásico), una bobina equivalente, una resistencia equivalente y un condensador equivalente. La bobina corresponde a todas las bobinas (o inductancias) del generador (caso monofásico) o de la fase (en caso del trifásico). La resistencia viene determinada por la resistencia del conductor, en la realización elegida para el modelado, cobre. El condensador representa la capacidad que se generan entre las pistas que forman las bobinas. The two models comprise a generator (single phase case) and three generators (three phase case), an equivalent coil, an equivalent resistance and an equivalent capacitor. The coil corresponds to all coils (or inductances) of the generator (single phase case) or of the phase (in case of three phase). The resistance is determined by the resistance of the conductor, in the embodiment chosen for modeling, copper. The capacitor represents the capacity generated between the tracks that form the coils.
15 Las figuras 12A y 12B muestran el modelado electrónico equivalente monofásico y trifásico, respectivamente, del generador. 15 Figures 12A and 12B show the single-phase and three-phase equivalent electronic modeling, respectively, of the generator.
A continuación, se detalla el procedimiento para la obtención de los valores de los diferentes elementos que componen el modelado. Next, the procedure for obtaining the values of the different elements that make up the modeling is detailed.
En primer lugar, se obtienen los valores de tensión y frecuencia de los generadores para cada régimen de giro 20 establecido. First, the voltage and frequency values of the generators for each established rotation regime 20 are obtained.
Se realiza una simulación magnética con las configuraciones descritas en el apartado de los anillos portaimanes 140 y descripción del generador. Para ello se realiza una simulación magnética de la densidad de flujo magnético A magnetic simulation is carried out with the configurations described in the section of the magnet holder rings 140 and description of the generator. For this, a magnetic simulation of the magnetic flux density is performed
(B) en la superficie del circuito impreso PCB 15 y la fuerza electromotriz inducida en las bobinas 15’. Con esto se (B) on the surface of the PCB 15 printed circuit and the induced electromotive force on the coils 15 ’. With this I know
obtiene tanto el campo generado por los imanes 6 en base a la velocidad de giro del rotor 130 como la energía it obtains both the field generated by the magnets 6 based on the rotational speed of the rotor 130 and the energy
25 generada en las bobinas 15’. En las figuras 13A y 13B se muestran imágenes de la simulación magnética realizada: en la figura 13A se muestra una simulación de la densidad de flujo magnético (B) en la superficie del circuito impreso PCB 15 y en la figura 13B se muestra la fuerza electromotriz inducida en las bobinas 15’. 25 generated in coils 15 ’. Figures 13A and 13B show images of the magnetic simulation performed: Figure 13A shows a simulation of the magnetic flux density (B) on the surface of the PCB 15 printed circuit and Figure 13B shows the electromotive force induced in the 15 'coils.
En la siguiente Tabla B se resumen los valores de tensión inducida obtenidos a partir de la simulación de una pareja de bobinas, y calculados para cada fase para diferentes velocidades de giro. El valor que se muestra es el The following Table B summarizes the induced voltage values obtained from the simulation of a pair of coils, and calculated for each phase for different rotational speeds. The value shown is the
30 valor rms. 30 rms value
- Trifásico Three phase
- Monofásico Monophase
- ω (rpm) ω (rpm)
- εphase (mV) εphase (mV) εphase (mV) εphase (mV)
- 1000 1000
- 245.61 34.86 245.61 34.86
- 2000 2000
- 464.54 66.55 464.54 66.55
- 3000 3000
- 714.51 101.42 714.51 101.42
- 4000 4000
- 960.12 136.27 960.12 136.27
- 5000 5000
- 1183.42 167.97 1183.42 167.97
Tabla B: Resumen de los valores de tensión inducida obtenidos con simulación magnética.
Table B: Summary of the induced voltage values obtained with magnetic simulation.
A partir de las siguientes ecuaciones se obtienen los valores necesarios, tales como resistencia, capacidad e inductancia, para el modelado del generador. Para realizar los cálculos y obtener el modelado del generador es indispensable definir la longitud de conductor y material (por ejemplo, cobre) de las bobinas ya que la resistencia, From the following equations the necessary values, such as resistance, capacity and inductance, are obtained for the modeling of the generator. To perform the calculations and obtain the generator modeling it is essential to define the length of conductor and material (for example, copper) of the coils since the resistance,
35 la capacidad y la inductancia equivalentes son dependientes de la cantidad de conductor y del material. 35 equivalent capacity and inductance are dependent on the amount of conductor and material.
La resistencia del generador se calcula con la siguiente ecuación: The generator resistance is calculated with the following equation:
ቕቭሊዷዏሀዯዏባ ቖ ቤ (1) ቕቭሊዷዏሀዯዏባ ቖ ቤ (1)
ላ ሬቛቖበዹቘሀዯዅሤቜ ላ ሬቛቖበዹቘሀዯዅሤቜ
La capacidad equivalente del circuito se obtiene con la siguiente ecuación: The equivalent capacity of the circuit is obtained with the following equation:
ቆሄቭቛዺዾሆዷቦዻዾሆሇቜዏዾቕዏለዯዏቩዻ (2) ቆሄቭቛዺዾሆዷቦዻዾሆሇቜዏዾቕዏለዯዏቩዻ (2)
ሇ ሇ
40 En el caso de la inductancia equivalente, su modelado es distinto dependiendo del generador utilizado, monofásico o trifásico (forma de la bobina, número de fases y tipo de conexión entre las fases). 40 In the case of the equivalent inductance, its modeling is different depending on the generator used, single-phase or three-phase (coil shape, number of phases and type of connection between the phases).
Ecuaciones necesarias para un generador monofásico con bobinado serpenteante: Required equations for a single-phase generator with winding winding:
ለሃለቭሇዹሀዺለሃለ ቦቐለሃለ (3) ሇዹሀዺለሃለ ቭቑዏዼቦቛቑቦኔቜዏዸ (3.1) ለሃለቭሇዹሀዺለሃለ ቦቐለሃለ (3) ሇዹሀዺለሃለ ቭቑዏዼቦቛቑቦኔቜዏዸ (3.1)
5 5
10 10
15 fifteen
20 twenty
25 25
30 30
35 35
40 40
con gas, a una temperatura y humedad determinadas, puede resultar más conveniente que las piezas sean de PEEK, dadas sus buenas propiedades mecánicas. Las piezas en PEEK pueden ser fabricadas por mecanizado de 5 ejes. Las piezas en PEEK, además de tener una estabilidad térmica muy buena, presentan unas propiedades mecánicas requeridas en las piezas críticas como la carcasa, el rotor y las jaulas. With gas, at a certain temperature and humidity, it may be more convenient if the parts are made of PEEK, given their good mechanical properties. PEEK parts can be manufactured by 5-axis machining. The PEEK parts, in addition to having a very good thermal stability, have mechanical properties required in critical parts such as the housing, the rotor and the cages.
Para una fabricación de grandes series, en lugar de mecanizar el plástico, se pueden obtener las piezas por inyección. En el caso de fabricación por inyección, en lugar de mecanizar el plástico, se mecaniza el molde metálico, para posteriormente inyectar material PEEK (existente para utilizar en procesos de inyección) y obtener las piezas por inyección (un proceso muy rentable para fabricación de grandes lotes). For a large series manufacturing, instead of machining the plastic, the parts can be obtained by injection. In the case of injection manufacturing, instead of machining the plastic, the metal mold is machined, to subsequently inject PEEK material (existing for use in injection processes) and obtain the parts by injection (a very cost-effective process for manufacturing large lots).
Una vez descritos los métodos de fabricación de los diferentes componentes de la mini-turbina 100, se indica a continuación cómo se lleva a cabo el montaje de la mini-turbina 100, donde puede verse lo simplificado que resulta llegar a la turbina montada a partir de sus componentes: Once the manufacturing methods of the different components of the mini-turbine 100 have been described, it is indicated below how the assembly of the mini-turbine 100 is carried out, where it can be seen how simplified it is to reach the turbine mounted from of its components:
- La unión entre las carcasas 9 y los elementos de conexión 10 se realiza por ensamblado; es decir, que las carcasas 9 y los elementos de conexión 10 comprenden forman conjugadas entre sí para permitir un acoplamiento y fijación entre ellos. - The connection between the housings 9 and the connection elements 10 is carried out by assembly; that is, the housings 9 and the connecting elements 10 comprise formed conjugated to each other to allow a coupling and fixation between them.
- Por un lado, la unión entre el primer cuerpo 11 y los elementos de conexión 10 y, por otro lado, la unión entre el segundo cuerpo 13 y los elementos de conexión 10 se realiza mediante los tornillos de carenado 17. - On the one hand, the connection between the first body 11 and the connection elements 10 and, on the other hand, the connection between the second body 13 and the connection elements 10 is carried out by means of the fairing screws 17.
- La unión entre las carcasas 9 y el circuito impreso PCB 15 dispuesto entre las carcasas 9 se realiza mediante los pasadores 8 y las abrazaderas 7. - The connection between the housings 9 and the PCB printed circuit 15 arranged between the housings 9 is carried out by means of the pins 8 and the clamps 7.
La mini-turbina 100 montada se ilustra en las figuras 31A y 31B. Como puede verse, el proceso de montaje de la mini-turbina 100 no requiere de conocimientos especializados ni de herramientas de manejo complicado, facilitando por tanto las operaciones del montaje de la mini-turbina 100, disminuyendo el tiempo necesario para el montaje y la cualificación requerida al operario encargado del montaje. Además, la estructura de la miniturbina 100 permite cambiar fácilmente el generador, de modo que operaciones de reparación, mantenimiento o modificación (por ejemplo, cambiar de generador monofásico a trifásico y viceversa) están contempladas en la estructura de la mini-turbina 100 para que tales tareas puedan ser realizadas sin necesidad de complicadas operaciones auxiliares. The mounted mini-turbine 100 is illustrated in Figures 31A and 31B. As can be seen, the assembly process of the mini-turbine 100 does not require specialized knowledge or complicated handling tools, thus facilitating the assembly operations of the mini-turbine 100, reducing the time required for assembly and qualification required to the operator in charge of assembly. In addition, the structure of the mini-turbine 100 allows the generator to be easily changed, so that repair, maintenance or modification operations (for example, changing from single-phase to three-phase generator and vice versa) are contemplated in the structure of mini-turbine 100 so that Such tasks can be performed without the need for complicated auxiliary operations.
En una realización particular de la invención, la mini-turbina 100 tiene un diámetro máximo exterior D de 32mm. In a particular embodiment of the invention, the mini-turbine 100 has a maximum outer diameter D of 32mm.
La configuración de los componentes de la mini-turbina 100 permite alcanzar velocidades de giro en el rotor 130 de 50.000rpm. The configuration of the components of the mini-turbine 100 allows to reach speeds of rotation in the rotor 130 of 50,000rpm.
En cuanto al generador monofásico, la fabricación se realiza mediante el mecanizado de un material ‘sandwich’ As for the single-phase generator, manufacturing is done by machining a ‘sandwich’ material
(Cu-FR4-Cu) mediante un láser ultra rápido de picosegundos. Este procedimiento de fabricación permite, por un lado, conseguir las tolerancias dimensionales del circuito impreso PCB 15 y, por otro lado, conseguir la configuración requerida para las bobinas 15’. La figura 10A muestra una vista del circuito impreso PCB 15 que comprende las bobinas 15’. La figura 10B es una vista en detalle de las bobinas 15’. (Cu-FR4-Cu) using an ultra fast PS laser. This manufacturing process allows, on the one hand, to achieve the dimensional tolerances of PCB 15 printed circuit and, on the other hand, to achieve the required configuration for coils 15 ’. Figure 10A shows a view of the PCB 15 printed circuit comprising the coils 15 ’. Figure 10B is a detailed view of the coils 15 ’.
Las figuras 20 y 21 ilustran las formas de onda obtenidas en las pruebas realizadas con el generador monofásico de la invención con 5m/s y 10m/s de viento incidiendo sobre la mini-turbina. En estas figuras se observa el aumento de la tensión y de la frecuencia a la vez que aumenta la velocidad del aire incidente. Figures 20 and 21 illustrate the waveforms obtained in the tests performed with the single-phase generator of the invention with 5m / s and 10m / s of wind affecting the mini-turbine. These figures show the increase in voltage and frequency while increasing the speed of the incident air.
Para obtener la mayor cantidad de potencia a la salida debe realizarse la adaptación de impedancias. Para ello se han colocado diferentes cargas resistivas a la salida y con diferentes velocidades de viento. Los resultados se pueden observar en la gráfica de la figura 22 y se aprecia la resistencia adecuada para la obtención de la máxima potencia a la salida. En este caso es de 30Ω debido a la suma de la parte resistiva y la reactiva que componen la suma de las bobinas. In order to obtain the greatest amount of power at the output, impedance matching must be performed. For this, different resistive loads have been placed at the exit and with different wind speeds. The results can be seen in the graph of figure 22 and the appropriate resistance is appreciated for obtaining the maximum power at the output. In this case it is 30Ω due to the sum of the resistive and reactive part that make up the sum of the coils.
A continuación (Tabla C), se incluyen los resultados obtenidos con el generador monofásico de la invención girando con diferentes velocidades de viento incidente y con una carga de 30Ω: Next (Table C), the results obtained with the single-phase generator of the invention rotating with different incident wind speeds and with a load of 30Ω are included:
- Velocidad del aire (m/s) Air speed (m / s)
- Frecuencia (Hz) Velocidad angular (rpm) Vpp(mV) Potencia (µW) Frequency (Hz) Angular velocity (rpm) Vpp (mV) Power (µW)
- 3 3
- 9090,909 11363,636 0,03568 17,633 9090,909 11363,636 0.03568 17,633
- 4 4
- 11111,111 13888,889 0,03897 26,133 11111,111 13888,889 0.03897 26,133
- 5 5
- 13333,333 16666,666 0,04794 40,833 13333,333 16666,666 0,04794 40,833
- 6 6
- 16666,667 20833,334 0,05839 76,800 16666,667 20833,334 0.05839 76,800
- 7 7
- 18181,818 22727,273 0,07069 83,333 18181,818 22727,273 0.07069 83,333
- 8 8
- 20000,000 25000,000 0,06736 112,133 20000,000 25,000,000 0.06736 112,133
- 9 9
- 25641,025 32051,281 0,08819 140,833 25641,025 32051,281 0.08819 140,833
- 10 10
- 27027,027 33783,784 0,09723 187,500 27027,027 33783,784 0.09723 187,500
Tabla C: Resumen de los valores máximos de potencia obtenidos en las pruebas con generador monofásico.
Table C: Summary of the maximum power values obtained in the single phase generator tests.
- 6 6
- 111,0226 76,800 111,0226 76,800
- 7 7
- 160,7162 83,333 160.7162 83,333
- 8 8
- 239,6858 112,133 239.6858 112,133
- 9 9
- 272,5435 140,833 272.5435 140,833
- 10 10
- 333,1456 187,500 333,1456 187,500
Tabla E: Diferencia de los valores máximos de potencia obtenidos con cada tipo de generador.
Table E: Difference of the maximum power values obtained with each type of generator.
Se puede observar que los resultados obtenidos con el generador trifásico son con gran diferencia mejores. Pero esto no excluye usar el generador monofásico para aplicaciones que requieran menos energía ya que este generador es más sencillo de fabricar. It can be seen that the results obtained with the three-phase generator are by far better. But this does not exclude using the single phase generator for applications that require less energy since this generator is easier to manufacture.
5 En este texto, la palabra “comprende” y sus variantes (como “comprendiendo”, etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos etc. 5 In this text, the word “understand” and its variants (such as “understanding”, etc.) should not be construed as excluding, that is, they do not exclude the possibility that what is described includes other elements, steps, etc.
Por otra parte, la invención no está limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro de lo que se On the other hand, the invention is not limited to the specific embodiments that have been described but also covers, for example, the variants that can be made by the average person skilled in the art (for example, in terms of the choice of materials, dimensions , components, configuration, etc.), within what is
10 desprende de las reivindicaciones. 10 follows from the claims.
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